JP2019530922A - 音波フィルタ・デバイスの2次元有限要素法シミュレーションにおける階層的カスケード - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、代理人整理番号RES−022により2016年8月29日に出願された「HIERARCHICAL CASCADING IN TWO−DIMENSIONAL FINITE ELEMENT METHOD SIMULATION OF ACOUSTIC WAVE FILTER DEVICES」と題する米国仮特許出願第62/380931号の優先権を主張するものである。本願は、また、代理人整理番号RES−022USにより2017年1月13日に出願された「HIERARCHICAL CASCADING IN TWO−DIMENSIONAL FINITE ELEMENT METHOD SIMULATION OF ACOUSTIC WAVE FILTER DEVICES」と題する米国仮特許出願第15/406600号の優先権を主張するものである。上記の特許出願の内容は、参照によりその全体が明示的に本明細書に組み込まれる。
、電場
、および磁場
である。線形の圧電媒体では、応力テンソル
、および電気的変位場
が、歪みテンソルおよび電場に1次結合される。音波の速度は光速と比較すれば低いので、磁場は無視することができる。その結果として、電場は、以下のように電気スカラー・ポテンシャルの勾配として近似することができる。
この準静的近似内で、圧電基板の構成関係は、以下のようになる。
は、4階剛性テンソルの構成要素であり、ekijは、3階圧電テンソルの構成要素であり、
は、2階誘電率テンソルの構成要素である。剛性テンソル、圧電テンソル、および誘電率テンソルの構成要素は、材料のパラメータである。上付きのEおよびSは、それらのテンソルの構成要素が、それぞれ一定電場および一定歪みで測定されることを示している。圧電材料は、異方性が強く、結晶カットおよびデバイス配向を規定しなければならない。これらは、一般に、図7に示すようにオイラー角によって指定される。
軸の周りの第2の回転μが、表面平面(ここでは網掛けした長方形として示すウェハ・カット)を決定する。
軸の周りの第3の回転θが、デバイス配向(ウェハ上の1次SAW伝搬方向)を指定する。オイラー角を規定する一般に認められている方法はないことに留意されたい。選択は、工学分野および個人の好みによって決まる。
が生じることがある。ここで、被積分関数は、界面の非金属側にわたって評価される。表面電荷の積分も含めたこれらの連続性条件は、選択したFEMの定式化で自動的に考慮される。
の形態の複素数値で置換される。この演算は、複素座標ストレッチと呼ばれる。さらに一般化すると、ストレッチ因子σiは、複素数値であり、周波数依存性であることがある。時間領域の解析では、これらは、因果律から生じる追加の制約を受ける。ストレッチは、吸収が必要な方向にのみ適用される。分かりやすいように、基板が半空間x3≦0を満たし、真空が正方向x3→∞に存在し、x1方向が基板表面と平行になるように、座標を固定する。基板中に伝搬するバルク波に対する座標ストレッチの影響
を考える。σ3<0では、この波はx3→−∞で消滅する。これが、座標ストレッチの目的である。すなわち、伝搬波を減衰波に変換する。ストレッチ因子が適切に選択され、PMLが十分に深いものとすると、この層に入射する基本的に全てのエネルギーが吸収されることになる。ストレッチ因子は、慎重に選択しなければならない。通常の基板における解を乱すことを避けるためには、ストレッチは、滑らかでなければならず、かつ基板とPMLの間の境界で消滅しなければならない。境界では、少なくとも2次プロファイルが推奨される。同時に、この層の深さ内で十分な減衰が得られなければならない。C−PMLのパラメータは、この手法で最適化されることが好ましい。
ここで、q(x3)は、パラメータである。数値問題を回避するために、このパラメータは、q=1から開始するが、法線方向に沿った誘電率テンソルの成分が1より(はるかに)小さくなるように、PML内で深くなるにつれて急速に増加する。
およびスカラー・ポテンシャルφを選択する。これらは、以下の形態をとる。
ここで、総和は、全ての節についてのものであり、Nn(x1、x3)は、節nに属する形状関数を示し、節点
における場の値が、解くべきDOFとなる。形状関数の構造により、機械的変位および電位は、シミュレーション領域のあらゆる箇所で連続である。電極では、電位(電圧)は、定数に設定される。
[12][K−ω2M](x)=(s)
の形態の連立一次方程式が得られる。ここで、マトリクスKおよびMは、剛性マトリクスおよび質量マトリクスと呼ばれ、これらが合わさってシステム・マトリクスを形成する。ωは、角周波数を表し、ベクトルxは、解くべき全ての自由度を集めたものであり、ベクトルsは、ソース・ベクトルと呼ばれる。通常は、ソース・ベクトルの非ゼロ要素のみが、金属表面上の電荷密度を表す。
にわたる整数からなることが分かっていると有利である。剛性マトリクスの要素は、
の形態の整数からなる。隣接する要素内に位置するDOFのみが結合される。任意のかなりのサイズのFEM問題では、図9に示す疎なパターンが示すように、システム・マトリクスの要素の圧倒的多数がゼロである。この具体的なモデルは、520個の要素と、2766個の節と、7113個のDOFとからなる。システム・マトリクスは、490215個の非ゼロ成分を有する。これらのマトリクスの要素のうち99.0%が、ゼロである。原理的には、システム・マトリクス内の変数の順序付けは、任意である。実際には、マトリクスがどのように結合されているかを示す指標であるシステム・マトリクスの帯域幅を最小にする変数の順序付けが好ましい。図9に示すように、システム・マトリクス要素の帯域幅は、比較的狭い。
[15]K→K+iωQ
の形態をとることができる。ここで、システム・マトリクスおよびソース・ベクトルの成分は、積(1+iσ1)(1+iσ3)で正規化される。
ここで、成分Ajkは、マトリクスの成分であり、ベクトル(xL、xI、xR)は、それぞれコア・ブロックの左縁部、内部、および右縁部に位置する節DOFを含み、スカラーvは、電極に接続された電位であり(コア・ブロックに電極が存在する場合)、qは、(場合により存在する)電極境界における正味の表面電荷である。コア・ブロックに複数の電極が存在する場合には)、スカラーvおよびqをベクトルに拡張することができる。
が、縮約マトリクス方程式
を生じる。左縁部および右縁部が界面であると解釈して、発明者等は、以下のように、この係数マトリクスを境界マトリクス(Bマトリクス)として特定する。
ここで、Wは、音響開口を表す。
その結果得られるBマトリクスは、依然として対称のままである。
として定義すると、以下のように単位ブロック対称な拡張Bマトリクスが得られる。
という形態をとる。この場合も、以下のように、共有縁部に関係するDOFを除去することができる。
結合システム・マトリクスへの後退代入により、カスケードBマトリクス
[27]
が得られる。このカスケードBマトリクスは、
を満たす。このカスケードBマトリクスは、電気励起および境界条件に対する結合またはカスケード単位ブロックの応答を完全に記述している。また、このカスケードBマトリクスは、対称である。このカスケードBマトリクスのサイズは、電気的接続、および縁部におけるDOFの数のみによって決まる。全てのメッシュ縁部が互いに互換性がある場合には、カスケードBマトリクスは、それが導出された元の拡張および/またはカスケードBマトリクスと同じサイズを有する。さらに、カスケードBマトリクスをさらにカスケードして、さらに大きな構造を記述することもできる。したがって、このBマトリクスの形式は、いくつかの電極を有するコア・ブロック、1つの電極を有するコア・ブロック、または電極を有していないコア・ブロックから、任意の多数の電極の集約シーケンスからなるカスケード単位ブロックまでのSAW構造を記述することができる。これが、FEM階層的カスケード技術の力である。したがって、個々の電極から始まって多電極デバイスの全体まで、より小さな構造を記述するBマトリクスを結合して、より大きな構造を記述するBマトリクスを得ることができる。
所望の電圧励起は、以下のように表現することができる。
[29]V=ΔV+eTVref
ここで、eは、1×Nportマトリクスであり、Nportは、電圧の数である。電荷的中性は、全ての表面電荷の和がゼロである、すなわちeQ=1であることを求めることによって実現される。これらの置換の後で、最終的な連立方程式は、以下の形態をとる。
ここで、BPMLは、左側および右側のPML吸収体ブロックのBマトリクスを表す。PML吸収体ブロック以外の吸収体ブロックについての任意の連立方程式は、方程式[30]と同様の形態をとることになる。注目する電流、場の量、およびその他の観測量は、後処理ステップとして計算することができる。
Claims (24)
- マイクロ波音波(AW)構造を解析する方法であって、
前記AW構造の物理的モデルを規定するステップと、
前記物理的モデルを複数の単位ブロックに分割するステップと、
前記複数のオリジナル単位ブロック内で少なくとも1つのコア・ブロックを特定するステップと、
前記少なくとも1つのコア・ブロックのそれぞれの特徴を計算するステップと、
前記少なくとも1つのコア・ブロックの前記計算した特徴から、前記オリジナル単位ブロックのそれぞれの特徴を導出するステップと、
前記オリジナル単位ブロックを結合して、前記単位ブロックの前記特徴から導出した計算した特徴を有する1つのブロックにして、前記1つのブロックが前記複数のオリジナル単位ブロックを包含するようにするステップと、
前記物理的モデルの少なくとも1つの電気的特徴を、少なくとも部分的には前記1つのブロックの前記計算した特徴から導出するステップとを含む、方法。 - 前記複数のオリジナル単位ブロックとの電気的接続を特定するステップをさらに含み、前記オリジナル単位ブロックのそれぞれの電気的応答を、前記特定した電気的接続からさらに導出する、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのコア・ブロックの前記計算した特徴が、音場および電場を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記単位ブロックの全てが、互いに物理的に同じである、請求項1に記載の方法。
- 前記オリジナル単位ブロックのうちの少なくとも2つが、互いに物理的に異なり、前記少なくとも1つのコア・ブロックが、少なくとも2つのコア・ブロックを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記オリジナル単位ブロックを結合して前記1つのブロックにするステップが、隣接単位ブロックのセットを階層的にカスケードして前記1つのブロックにするステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 隣接オリジナル単位ブロックの前記セットのうちの少なくとも1つが、1対の隣接オリジナル単位ブロックである、請求項6に記載の方法。
- 隣接する単位ブロックのセットを階層的にカスケードして前記1つのブロックにするステップが、
(a)現在の階層レベルの隣接単位ブロックのセットを結合して、次の階層レベルのカスケード単位ブロックを作成するステップと、
(b)前記1つのブロックが作成されるまで、次の階層レベルの隣接単位ブロックのセットについてステップ(a)を繰り返すステップとを含み、前記単位ブロックのそれぞれが、オリジナル単位ブロック、または以前にカスケードされた単位ブロックである、請求項6に記載の方法。 - 現在の階層レベルで結合されていない単位ブロックのうちのいずれかが、現在の階層レベルから次の階層レベルに移行される、請求項8に記載の方法。
- 前記単位ブロックのうちの1つが、以前に計算した特徴を有し、前記単位ブロックのうちの少なくとも1つの他の単位ブロックが、物理的および電気的に前記1つの単位ブロックと同じであり、前記方法が、現在の階層レベルで隣接単位ブロックの前記セットを結合するときに、前記1つの単位ブロックを参照して、前記少なくとも1つの他の単位ブロックの以前に計算した特徴を仮定するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのコア・ブロックの前記特徴が、有限要素法(FEM)を用いて計算される、請求項1に記載の方法。
- 前記FEMを用いて前記少なくとも1つのコア・ブロックのそれぞれの特徴を計算するステップが、
左側境界DOF、右側境界DOF、および内部DOFを有するAマトリクスを生成するステップと、
前記Aマトリクスから前記内部DOFを除去して、前記左側境界DOFおよび前記右側境界DOFのみを含むBマトリクスを生成するステップとを含む、請求項11に記載の方法。 - 前記オリジナル単位ブロックのそれぞれの特徴が、前記少なくとも1つのコア・ブロックの前記少なくとも1つのBマトリクスから導出されるBマトリクスによって表される、請求項12に記載の方法。
- 前記オリジナル単位ブロックを結合するステップが、
隣接オリジナル単位ブロックの第1のセットを特定するステップと、
前記第1のセットの隣接オリジナル単位ブロックそれぞれのBマトリクスを結合して、前記隣接オリジナル単位ブロックのうちの左の単位ブロックの左側境界DOFに対応する左側境界DOF、前記隣接オリジナル単位ブロックのうちの右の単位ブロックに対応する右側境界DOF、および前記隣接オリジナル単位ブロックの間の少なくとも1つの共有縁部に対応する内部DOFを有する第1のCマトリクスにし、
前記第1のCマトリクスから前記内部DOFを除去することによって、前記第1のCマトリクスを、左側境界DOFおよび右側境界DOFのみを含む第1のカスケード単位ブロックの第1の新たなカスケードBマトリクスに縮約することによって、
隣接オリジナル単位ブロックの前記第1のセットをカスケードして第1のカスケード単位ブロックにするステップとを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記オリジナル単位ブロックを結合するステップが、
隣接オリジナル単位ブロックの第2のセットを特定するステップと、
前記第2のセットの隣接オリジナル単位ブロックそれぞれのBマトリクスを結合して、前記隣接オリジナル単位ブロックのうちの左の単位ブロックの左側境界DOFに対応する左側境界DOF、前記隣接オリジナル単位ブロックのうちの右の単位ブロックに対応する右側境界DOF、および前記隣接オリジナル単位ブロックの間の少なくとも1つの共有縁部に対応する内部DOFを有する第2のCマトリクスにし、
前記第2のCマトリクスから前記内部DOFを除去することによって、前記第2のCマトリクスを、左側境界DOFおよび右側境界DOFのみを含む第2のカスケード単位ブロックの第2の新たなカスケードBマトリクスに縮約することによって、
隣接オリジナル単位ブロックの前記第2のセットをカスケードして第2のカスケード単位ブロックにするステップとをさらに含む、請求項14に記載の方法。 - 前記オリジナル単位ブロックを結合するステップが、
前記第1および第2のカスケード単位ブロックを隣接カスケード単位ブロックのセットであるものとして特定するステップと、
カスケード単位ブロックの前記セットの隣接カスケード単位ブロックそれぞれのBマトリクスを結合して、前記隣接カスケード単位ブロックのうちの左の単位ブロックの左側境界DOFに対応する左側境界DOF、前記隣接カスケード単位ブロックのうちの右の単位ブロックに対応する右側境界DOF、および前記隣接カスケード単位ブロックの間の少なくとも1つの共有縁部に対応する内部DOFを有する第3のCマトリクスにし、
前記第3のCマトリクスから前記内部DOFを除去することによって、前記第3のCマトリクスを、左側境界DOFおよび右側境界DOFのみを含む第3のカスケード単位ブロックの第3の新たなカスケードBマトリクスに縮約することによって、
隣接カスケード単位ブロックの前記セットをさらにカスケードして第3のカスケード単位ブロックにするステップとをさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 前記AW構造の前記物理的モデルが、前記AW構造の2次元断面および開口を規定し、前記物理的モデルが、各オリジナル単位ブロックが前記2次元断面の一部分と前記AW構造の前記開口の一部分とを含むように、分割される、請求項1に記載の方法。
- 前記AW構造の前記物理的モデルが、少なくとも1つの電極と、基板層と、真空層とを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記AW構造の前記物理的モデルが、前記基板層に隣接する吸収体層と、前記真空層に隣接する吸収体層とをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのコア・ブロックのうちの1つが、電極を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記物理的モデルを、前記1つのブロックの左側および右側をそれぞれ成端する2つの吸収体ブロックにさらに分割するステップと、
前記2つの吸収体ブロックのそれぞれの応答を計算するステップと、
前記1つのブロックと前記2つの吸収体ブロックとを結合して、計算した特徴を有する包括的なブロックにするステップとをさらに含み、
前記物理的モデルの前記少なくとも1つの電気的特徴が、少なくとも部分的には前記包括的なブロックの前記計算した特徴から導出される、請求項1に記載の方法。 - 前記AW構造が、音響共振器を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの電気的特徴が、周波数応答、静電容量、および共振周波数のうちの1つまたは複数を含む、請求項1に記載の方法。
- 周波数応答要件に従ってマイクロ波音波(AW)フィルタを構築する方法であって、
請求項1に記載の方法に従ってAW構造を解析するステップと、
前記AW構造を含むAWフィルタを設計するステップと、
前記AW構造のシミュレーションに基づいて、前記AWフィルタの周波数応答を決定するステップと、
前記AWフィルタの周波数応答を周波数応答要件と比較するステップと、
前記比較に基づいて、前記AWフィルタを作製するステップとを含む、方法。
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